Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

The challenges encountered in the production of primary aluminum are increasingly worrying due to issues related to environmental and energy performance. One of these major challenges lies in the introduction, dissolution, and distribution of large quantities of alumina in a small volume of electrolyte. In addition, this introduction is carried out over a large horizontal surface using a limited number of distinct injection points. Typically, approximately one kilogram of alumina is injected at each injection point every minute. However, alumina powder tends to agglomerate quickly, forming rafts that impede solid-liquid contact, thereby reducing the dissolution rate. Therefore, the formation and dissolution of these alumina rafts in the Hall-Heroult process generates a significant delay between injection and availability for reduction to produce primary aluminum. The dissolution of alumina in cryolite has been the subject of numerous studies in the literature, covering a wide range of conditions presented in a varied manner. In order to compare these results, an empirical model was developed based on experimental data obtained using a gravimetric method specially developed for this research project and applied to non-porous alumina disks. This model was then applied to data available in the literature, revealing significant differences between the data sets. These variations are then analyzed and discussed in order to identify the main causes. They are mainly attributed to three major factors having a significant influence on dissolution: the morphology of the alumina, the flow pattern around the different samples studied, as well as the mass fraction of the additives in the cryolite bath, including the dissolved alumina. Once these hypotheses are confirmed, it is imperative to determine the molecular diffusivity of alumina in the electrolyte to adequately describe the dissolution phenomenon. This information makes it possible to use mass transfer relations to estimate the diffusion of alumina, according to Fick’s law. The doctoral work proposes using the Wilke-Chang equation to calculate the molecular diffusivity of alumina and thus take into account the influence of the chemical composition of the bath on the mobility of dissolved alumina. The different conditions used, similar to those encountered in industry, modified the flow pattern in the experimental setup, and a thermal was analysis attempted to reproduce this influence as best as possible. The data collected was used to develop a more general model based on the Sherwood number, allowing the prediction of the dissolution rate of the alumina surface under specific conditions. Then, using a detailed description of heat transfer and diffusivity, the general mass transfer theory was applied to the data available in the literature to identify their respective dissolution rates. The contrast between the experimental data and the validation provided by the literature is assumed to arise from the morphology of the sample and the adequate description of the flow surrounding it. Subsequent discussions highlight the predominant factor affecting mass transfer coefficients and identify theoretical challenges to obtain more precise relationships in future work. Once the diffusivity model is confirmed, it is crucial to understand the kinetics of solid-liquid interactions leading to the formation and dissolution of rafts. Using wet agglomeration theory, the remainder of the thesis presents an in-depth analysis of raft formation and heat exchange in this early phase. This theoretical analysis then makes it possible to estimate the initial size of the alumina cloud produced during injection. Finally, the thesis uses dimensional analysis to quantify the rate of dissolution and disintegration of the alumina raft thus formed. A theoretical approach is proposed to understand the key behaviors observed during extensive experiments on the dissolution of different macroscopic forms of alumina. In conclusion, the potential applications of the proposed model are also discussed.The work presented thus allows the understanding of: 1. The influence of bath additives on alumina diffusivity. 2. The impact of alumina sintering on the internal structure of the raft. 3. Internal mass transfer mechanisms in the raft. These learnings will provide a better understanding of the spatial and temporal distribution of alumina in electrolysis cells. This will allow optimization of cell operating strategies, including feed frequencies. By having a more accurate prediction of the alumina dissolution rate and its diffusivity, it will be possible to reduce anode effects and sludge creation by providing the right amount of alumina at the right time.

Les défis rencontrés dans la production d’aluminium primaire sont de plus en plus préoccupants en raison des enjeux liés à la performance environnementale et énergétique. L’un de ces défis majeurs réside dans l’introduction, la dissolution et la répartition d’importantes quantités d’alumine dans un faible volume d’électrolyte. De plus, cette introduction se fait sur une grande surface horizontale en utilisant un nombre limité de points d’injection distincts. Généralement, environ un kilogramme d’alumine est injecté à chaque point d’injection toutes les minutes. Cependant, la poudre d’alumine a tendance à s’agglomérer rapidement, formant des radeaux qui entravent le contact solide-liquide, réduisant ainsi la vitesse de dissolution. Par conséquent, la formation et la dissolution de ces radeaux d’alumine dans le procédé Hall-Héroult génèrent un délai significatif entre l’injection et la disponibilité pour la réduction en vue de produire de l’aluminium. La dissolution de l’alumine dans la cryolite a fait l’objet de nombreuses études dans la littérature, couvrant un large éventail de conditions présentées de manière variée. Afin de comparer ces résultats, un modèle empirique a été développé en se basant sur des données expérimentales obtenues à l’aide d’une méthode gravimétrique spécialement développée pour ce projet de recherche et appliquée à des disques d’alumine non poreux. Ce modèle a ensuite été appliqué aux données disponibles dans la littérature, révélant des différences significatives entre les ensembles de données. Ces variations sont ensuite analysées et discutées afin d’en identifier les causes principales. Elles sont principalement attribuées à trois facteurs majeurs ayant une influence significative sur la dissolution : la morphologie de l’alumine, l’écoulement du bain autour des échantillons, ainsi que la fraction massique des additifs dans le bain de cryolite, incluant l’alumine dissoute. Une fois ces hypothèses confirmées, il est impératif de déterminer la diffusivité moléculaire de l’alumine dans l’électrolyte pour décrire de manière adéquate le phénomène de dissolution. Cette information permet d’utiliser les relations de transfert de masse pour estimer la diffusion de l’alumine, selon la loi de Fick. Les travaux de doctorat proposent d’utiliser l’équation de Wilke-Chang pour calculer la diffusivité moléculaire de l’alumine et ainsi tenir compte de l’influence de la composition chimique du bain sur la mobilité de l’alumine dissoute. Les données recueillies ont été utilisées pour développer un modèle plus général basé sur le nombre de Sherwood, permettant de prédire le taux de dissolution de la surface d’alumine dans des conditions spécifiques. Ensuite, en utilisant une description détaillée du transfert de chaleur et de la diffusivité, la théorie générale du transfert de masse a été appliquée à nouveau aux données disponibles dans la littérature pour identifier leurs taux de dissolution respectifs. Le contraste entre les données expérimentales et la validation fournie par la littérature est semble découler de la morphologie de l’échantillon et de la description adéquate de l’écoulement qui l’entoure. Les discussions ultérieures mettent en évidence le facteur prédominant affectant les coefficients de transfert de masse et identifient les défis théoriques à relever pour obtenir des relations plus précises dans les travaux futurs. Une fois le modèle de diffusivité confirmé, il est crucial de comprendre la cinétique des interactions entre le solide et le liquide conduisant à la formation et à la dissolution des radeaux. En utilisant la théorie de l’agglomération humide, la suite de la thèse présente une analyse approfondie de la formation des radeaux et des échanges thermiques dans cette phase précoce. Cette analyse théorique permet ensuite d’estimer la taille initiale du nuage d’alumine produit lors de l’injection. Enfin, la thèse utilise une analyse dimensionnelle pour quantifier le taux de dissolution et de désintégration du radeau d’alumine ainsi formé. Une approche théorique est proposée pour comprendre les comportements clés observés lors d’expériences approfondies sur la dissolution de différentes formes macroscopiques d’alumine. En conclusion, l’application potentielle du modèle proposé est également abordée. Les travaux présentés permettent ainsi de comprendre: 1. L’influence des additifs du bain sur la diffusivité de l’alumine. 2. L’impact du frittage de l’alumine sur la structure interne du radeau. 3. Les mécanismes de transfert de masse interne au radeau. Ces apprentissages permettront d’obtenir une meilleure compréhension de la répartition spatiale et temporelle de l’alumine dans les cuves d’électrolyse. Ceci permettra une optimisation des stratégies d’opération des cuves, notamment les fréquences d’alimentation. En ayant une prédiction plus précise du taux de dissolution de l’alumine et de sa diffusivité, il sera possible de diminuer les effets d’anode et la création de boue en fournissant la bonne quantité d’alumine au bon moment.